林元?jiǎng)t，張軍城，韋健林，劉德春，楊松銘，葉 挺

（浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310051）

1 引言

2022年，公共領(lǐng)域用車的新能源化將是一大突破點(diǎn)，公共領(lǐng)域車輛的“油電轉(zhuǎn)換”不僅有利于“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成，還將對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到強(qiáng)勁的帶動(dòng)作用，按相關(guān)政策規(guī)劃：到2035年公共領(lǐng)域用車將全面實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2022年3月底，全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)891.5萬輛，占汽車總量的2.90%。一季度新注冊(cè)登記新能源汽車111萬輛，占新注冊(cè)登記汽車總量的16.91%，與去年同期相比增加64.4萬輛，增長(zhǎng)138.20%，呈高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

隨著新能源汽車的普及，新能源汽車的節(jié)能與能量回收技術(shù)成為一個(gè)熱門課題。目前相關(guān)的研究已有很多，但主要集中在車輛的制動(dòng)能量回收策略領(lǐng)域，例如行駛工況和駕駛風(fēng)格耦合、制動(dòng)力分配策略、制動(dòng)扭矩控制策略、再生制動(dòng)控制策略等。對(duì)于車輛滑行過程的能量回收也有一定的研究，但由于研究對(duì)象及方法和策略的差異，研究結(jié)果有所不同。有研究表明：適當(dāng)?shù)幕心芰炕厥沼兄谛熊嚬?jié)能，例如使用超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)滑行能量的回收、通過智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性滑行能力回收、通過先加速后滑行的PnG駕駛策略等；但也有研究表明：部分情況下，滑行過程的能量回收不利于車輛整體的節(jié)能。

相對(duì)而言，目前針對(duì)純電城市公交的節(jié)能研究，尤其是存在頻繁加減速工況時(shí)起步加速階段的節(jié)能研究相對(duì)較少，對(duì)純電城市公交高速行駛工況的能量回收也缺乏研究。本文以純電城市公交車為研究對(duì)象，通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速階段的扭矩控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整高速行駛階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩值，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)階段整車的智慧節(jié)能功能，并通過不同路段的實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了本策略的可行性。

2 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是一款吉利遠(yuǎn)程品牌的12m純電城市公交車，其外觀如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程品牌12m純電城市公交樣車

該車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)使用永磁同步電動(dòng)機(jī)，由電機(jī)直驅(qū)，電機(jī)最大功率為350kW，最大輸出扭矩為2800Nm，額定功率為215kW，所用動(dòng)力電池為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，電池總?cè)萘繛?22.87kWh，其他主要參數(shù)見表1。

表1 純電城市公交樣車主要參數(shù)

3 智慧節(jié)能策略

驅(qū)動(dòng)工況是指加速踏板開度不為0時(shí)，電機(jī)響應(yīng)加速踏板信號(hào)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力的工況。驅(qū)動(dòng)工況可以分為需要較大加速度來提速的起步加速階段和幾乎沒有加速度的速度保持階段。城市公交車穿梭于繁華的城市路段，除了繁多的交通信號(hào)燈之外，相對(duì)于其他車輛而言還有較多的公交站點(diǎn)需要?？?，因此其起步加速階段所占的比例有大幅提升。

3.1 起步加速階段的節(jié)能策略

考慮到城市公交車需要較多的起步與加速，本文針對(duì)性地提出一種車輛起步加速階段的節(jié)能策略。在車輛起步加速階段，尤其是速度不超過15km/h（驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不超過500 r/min）的低速階段，此時(shí)電機(jī)系統(tǒng)效率較低，大多處于90%以下，節(jié)能策略應(yīng)當(dāng)是在此階段盡量提高電機(jī)的系統(tǒng)效率。

從整車能量流分析，能量由動(dòng)力電池傳輸至電機(jī)，再經(jīng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)傳輸給驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)整車行駛。

在此過程中，車輛行駛速度可以表示為：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗功率可以表示為：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率可以表示為：

車輛行駛速度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系可以表示為：

由上述式（1）～（4）可得：

即：

式（1）～（6）中：v——車輛行駛速度；s——對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)車輛行駛的路程；P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗功率；E——對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗；P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率；T——電機(jī)實(shí)際輸出的扭矩；ω——電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度；η——電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率，其是電機(jī)扭矩T與轉(zhuǎn)速n的函數(shù)；i——傳動(dòng)系統(tǒng)減速比；R——車輪滾動(dòng)半徑。

根據(jù)式（6）可知，車輛行駛路程s過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)所消耗的能量為E，由于傳動(dòng)系統(tǒng)減速比i與車輪滾動(dòng)半徑R均為定值，因此對(duì)于固定的路程s，為使其所消耗的能量E最小，則需要在此過程中使用較小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩T以及對(duì)應(yīng)較大的電機(jī)系統(tǒng)效率η（T，n）。如圖2所示為電機(jī)效率圖，為實(shí)現(xiàn)上述目的，在低速階段對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)同一轉(zhuǎn)速下應(yīng)適當(dāng)?shù)乜刂齐姍C(jī)扭矩大小以達(dá)到高效區(qū)。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率圖

考慮到車輛低速階段的加速需求，因此只能在一定程度上限制低速階段的電機(jī)扭矩。本文所研究的純電城市公交車還需要保障在起步加速階段的平穩(wěn)以保障乘客尤其是無座乘客的安全與舒適的乘車體驗(yàn)，因此本文針對(duì)性地提出了起步加速階段扭矩限制的節(jié)能策略，其流程如圖3a所示，當(dāng)判斷到智慧節(jié)能功能打開，車輛處于低速起步的加速階段，駕駛員踩踏加速踏板的開度超過閾值時(shí)，通過扭矩限制算法在不影響駕駛感受和加速需求的基礎(chǔ)上對(duì)扭矩做一定的限制，以提高電機(jī)系統(tǒng)效率η（T，n），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

圖3 智慧節(jié)能策略流程圖

3.2 高速行駛階段的節(jié)能策略

本文所研究的純電城市公交車標(biāo)定的最高車速為80km/h，在實(shí)際運(yùn)行路段，車輛的行駛速度一般在30～70km/h，在該高速行駛階段，本文主要通過動(dòng)態(tài)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，使電機(jī)系統(tǒng)高效運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能目的。其流程如圖3b所示，當(dāng)判斷到智慧節(jié)能功能打開，車輛處于高速行駛階段時(shí)，通過動(dòng)態(tài)扭矩調(diào)整算法實(shí)時(shí)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出扭矩，以提高電機(jī)系統(tǒng)效率η（T，n），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

本文所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩動(dòng)態(tài)調(diào)整算法如圖4所示，其可以表示為：

式（7）、（8）中：T——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n所對(duì)應(yīng)的最高效的驅(qū)動(dòng)扭矩；T——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩；k——計(jì)算的比例系數(shù)；u——計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩動(dòng)態(tài)調(diào)整量；T——計(jì)算輸出的最優(yōu)扭矩。

如圖4所示，該算法首先通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的系統(tǒng)效率分布情況計(jì)算出對(duì)應(yīng)的最優(yōu)扭矩T，然后將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩T與上述最優(yōu)扭矩T做對(duì)比并計(jì)算得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩動(dòng)態(tài)調(diào)整量u，該動(dòng)態(tài)調(diào)整量u通過上下限范圍限制之后，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)扭矩T共同計(jì)算得出最優(yōu)扭矩T，該扭矩通過上下限范圍限制和變化速率限制之后，最終輸出為該算法輸出的期望扭矩T。

圖4 動(dòng)態(tài)扭矩控制算法示意圖

3.3 動(dòng)力電池充電策略

當(dāng)智慧節(jié)能功能啟動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，當(dāng)滿足特定條件后，可以為動(dòng)力電池充電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電的功率滿足下列關(guān)系：

式（9）中：P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電的功率；η——電路系統(tǒng)充電效率；P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電功率；P——車載附件的能耗功率。

可以看出，為使驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠給動(dòng)力電池充電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電功率需超過車載附件的耗電功率，且發(fā)電功率越大電池的充電功率越大，但同時(shí)應(yīng)滿足發(fā)電機(jī)為動(dòng)力電池的充電功率的最大值應(yīng)小于動(dòng)力電池充電的額定功率，即：

式（10）中：P——?jiǎng)恿﹄姵爻潆姷念~定功率；P——驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電的最大功率。

為避免對(duì)動(dòng)力電池造成過充危害，本文所提出的智慧節(jié)能算法與電池SOC值之間建立了條件關(guān)系：

式（11）中：SW——智慧節(jié)能算法開關(guān)標(biāo)志位，即當(dāng)動(dòng)力電池SOC值低于97%時(shí)該智慧節(jié)能算法開始工作，條件滿足時(shí)電池可以被驅(qū)動(dòng)電機(jī)充電；當(dāng)動(dòng)力電池SOC值高于98%時(shí)該智慧節(jié)能算法停止工作，電池正常耗電；在智慧節(jié)能功能開始工作與停止工作之間設(shè)置了1%的回滯區(qū)間，可在一定程度上避免在臨界點(diǎn)充放電頻繁切換對(duì)動(dòng)力電池造成的危害。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

4.1 試驗(yàn)描述

針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的智慧節(jié)能算法，本研究在純電城市公交車上進(jìn)行了3組試驗(yàn)。試驗(yàn)開始之前，先將對(duì)應(yīng)的控制算法通過相關(guān)工具燒制至車輛VCU中，然后在駕駛員操縱臺(tái)加裝了智慧節(jié)能功能開關(guān)，以便通過開關(guān)打開或關(guān)閉智慧節(jié)能功能，進(jìn)而對(duì)比有無智慧節(jié)能功能時(shí)車輛的狀態(tài)。

第1組試驗(yàn)選擇常見的城市道路與城郊公路的組合，試驗(yàn)道路從廠區(qū)出發(fā)，沿途經(jīng)過城郊公路、城市道路、城市高架橋等常見路況，單程約23.4km，共計(jì)27個(gè)紅綠燈，試驗(yàn)線路如圖5所示。

圖5 第1組試驗(yàn)線路圖

試驗(yàn)開始前，先將車輛動(dòng)力電池充滿。試驗(yàn)首日做關(guān)閉智慧節(jié)能功能的試驗(yàn)，試驗(yàn)當(dāng)天天氣陰，氣溫7～16℃，試驗(yàn)過程中最高車速為79km/h，行駛車速主要為30～70km/h；次日做開啟智慧節(jié)能功能的試驗(yàn)，試驗(yàn)當(dāng)天天氣陰，氣溫7～14℃，試驗(yàn)過程中最高車速為72km/h，行駛車速主要為30～65km/h。本組兩次試驗(yàn)天氣條件基本相同，低溫一致高溫略有差異，但差異較小；實(shí)驗(yàn)過程中因?yàn)榻煌ㄒ蛩刈罡哕囁俾杂胁町悾强傮w速度分布基本相同。兩次試驗(yàn)分別沿上述道路往返4次，行駛總里程約94km，在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員通過CANoe工具實(shí)時(shí)記錄整車CAN網(wǎng)絡(luò)信息。

第2組試驗(yàn)道路依然是城市道路與城郊公路的組合，試驗(yàn)道路從廠區(qū)出發(fā)，沿途經(jīng)過城郊公路、城市道路、城市快速路等常見路況，并最終回到廠區(qū)，線路全程約45.7km，共計(jì)62個(gè)紅綠燈，試驗(yàn)線路如圖6所示。

圖6 第2組試驗(yàn)線路圖

第2組試驗(yàn)與第1組試驗(yàn)基本相似，試驗(yàn)首日做關(guān)閉智慧節(jié)能功能的試驗(yàn)，當(dāng)天天氣小雨，氣溫6～11℃，試驗(yàn)過程中最高車速為77km/h，行駛車速主要為40～70km/h；次日做開啟智慧節(jié)能功能的試驗(yàn)，當(dāng)天天氣小雨，氣溫6～9℃，試驗(yàn)過程中最高車速為77km/h，行駛車速主要為40～70km/h。本組兩次試驗(yàn)天氣條件基本相同，低溫一致高溫略有差異，但差異較??；試驗(yàn)過程中車速分布基本一致。

第3組試驗(yàn)道路選擇廠區(qū)周邊一條公交路線，并由專業(yè)駕駛員模擬公交駕駛情況駕車行駛，此線路城市道路所占比例大幅提升并按公交站點(diǎn)停車，線路單程全長(zhǎng)約17.4km，共計(jì)27個(gè)公交站點(diǎn)，試驗(yàn)線路如圖7所示。

圖7 第3組試驗(yàn)公交線路圖

第3組兩次試驗(yàn)在同一天進(jìn)行，試驗(yàn)當(dāng)天天氣小雨，氣溫4～8℃。實(shí)驗(yàn)當(dāng)天先將車輛動(dòng)力電池充滿，關(guān)閉智慧節(jié)能功能并在此公交線路上行駛一次往返，然后再次將車輛動(dòng)力電池充滿，開啟智慧節(jié)能功能并在此公交線路上行駛一次往返。兩次試驗(yàn)往返行駛各約35km，試驗(yàn)過程中最高車速約為65km/h，行駛車速主要分布在28～60km/h。

4.2 節(jié)能數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)結(jié)束后，讀取CANoe記錄的驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)，在本文3組試驗(yàn)中CANoe記錄驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)的頻率為100Hz，即每秒記錄100組驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。然后使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩通過插值的方法計(jì)算各個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的系統(tǒng)效率，并將同一組試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)繪制到驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率圖中，如圖8所示，其中圖8a、8b、8c分別對(duì)應(yīng)第1～3組試驗(yàn)。

從圖8中可以看出：在同一組試驗(yàn)中，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)同一轉(zhuǎn)速下，開啟智慧節(jié)能功能后其系統(tǒng)效率分布更集中于高效區(qū)域。分別統(tǒng)計(jì)3組試驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)工況下的電機(jī)系統(tǒng)效率分布數(shù)據(jù)占比情況如圖9所示，圖9中分別統(tǒng)計(jì)了驅(qū)動(dòng)工況下電機(jī)系統(tǒng)效率高于96%、介于95%～96%、介于94%～95%以及低于94%的數(shù)據(jù)情況。統(tǒng)計(jì)方法為首先統(tǒng)計(jì)出驅(qū)動(dòng)工況的總數(shù)量，然后統(tǒng)計(jì)出對(duì)應(yīng)高效區(qū)域工況的數(shù)量，最后計(jì)算后者所占前者的比例。

圖8 電機(jī)系統(tǒng)效率分布圖

從圖9中可以看出開啟智慧節(jié)能功能后其在電機(jī)高效區(qū)所占的比例均高于關(guān)閉智慧節(jié)能功能的比例。通過各組試驗(yàn)對(duì)比來看，當(dāng)車速相對(duì)較高（第2組試驗(yàn)）時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)所占的比例最大，當(dāng)車輛啟停較多（第3組試驗(yàn)）時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)所占的比例最小。

圖9 電機(jī)系統(tǒng)效率占比統(tǒng)計(jì)對(duì)照?qǐng)D

最后，統(tǒng)計(jì)3組對(duì)比試驗(yàn)的能耗情況見表2。從表2中可以看出，在同一組試驗(yàn)內(nèi)，車輛行駛路況一致、行駛里程相同的情況下，開啟智慧節(jié)能功能后其所消耗的能量均小于關(guān)閉智慧節(jié)能功能的能耗，換算成百公里平均能耗后計(jì)算其節(jié)能率分別為：8.28%、6.30%、9.86%。其中節(jié)能率計(jì)算方式如下：

式（12）中：η——智慧節(jié)能算法的節(jié)能率；E——關(guān)閉智慧節(jié)能功能的百公里平均能耗；E——開啟智慧節(jié)能功能的百公里平均能耗。

分析表2數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)車速相對(duì)較高且啟停較少（第2組試驗(yàn)）時(shí)，本算法的節(jié)能率最小。相反的，當(dāng)車輛啟停較多且車速相對(duì)較低（第3組試驗(yàn)）時(shí)，本算法的節(jié)能率最大，這主要是本算法針對(duì)公交車啟停較多的行駛工況，優(yōu)化了起步加速階段的扭矩控制方法，實(shí)驗(yàn)說明該算法節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)語

本文針對(duì)純電城市公交車的運(yùn)行工況，提出了一種基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整的智慧節(jié)能算法，該算法可以實(shí)時(shí)根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行工況對(duì)驅(qū)動(dòng)扭矩做適當(dāng)調(diào)整，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在各工況下盡可能運(yùn)行在電機(jī)系統(tǒng)效率較高的范圍內(nèi)。在該算法的基礎(chǔ)上，本文使用吉利遠(yuǎn)程品牌的純電城市公交車在不同路況下完成了3組試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該智慧節(jié)能算法有效，以百公里平均能耗計(jì)算其節(jié)能率分別為8.28%、6.30%、9.86%。本文內(nèi)容對(duì)新能源汽車尤其是純電城市公交車的節(jié)能研究具有參考意義。

表2純電城市公交車節(jié)能對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表